高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統及控制方法

2024-04-13 11:03:05 1

1.本發明屬於同位素樣品採集技術領域，尤其涉及高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統及控制方法。


背景技術：

2.目前，地球上水體的循環經歷著蒸發、凝結、降落和徑流四大過程，其中一個重要的水分輸入環節就是大氣降水，對大氣降水進行研究，對全球或區域水資源儲量及未來水資源變化的展望具有重要意義。自然水體中的氫氧穩定同位素因平衡和動力學同位素分餾機制發生變化，而水分蒸發和凝結過程中的分餾作用也可以導致不同水源穩定同位素組成差異，因此雖然自然界中水體氫氧穩定同位素所佔比例微小，卻對環境變化具有十分敏感的響應，而其中降水穩定同位素組成則常用於反映降水產生時的氣象條件以及水汽來源變化。隨著穩定同位素組成理論和技術的不斷完善，20世紀50年代後同位素水文學蓬勃發展，降水氫氧穩定同位素組成逐漸成為降水研究的水汽來源示蹤劑和重要的氣象環境指標，對了解水汽來源、降雨-徑流關係、局地水循環過程具有重要意義。
3.現有野外降水穩定同位素樣品收集一般通過降雨觀測結合改良的雨量筒，降雨結束後及時進行人工收集，這種傳統方法採集效率和精度都較低，不適合實際野外環境使用。具體來說，在野外情況下使用，因為人工採集頻率低等原因，可能造成收集的降水樣品實際是多場降雨混合的情況；同時，在特殊氣象條件如高溫乾燥的情況下，雨水在雨量筒中存放過程中即可發生蒸發，即人工收集前便發生一定同位素分餾現象，最終導致收集的雨水樣品中氫氧穩定同位素值增大，偏離數據真實值。針對以上情況，國內外已有部分發明及專利，主要通過遠程控制達成野外條件下的非人工自動採樣，添加製冷環境並對採集/存儲容器進行改良，從而對樣品蒸發進行一定的控制。但現有發明及專利需要遠程通信模塊、較高的電力（例如，製冷用空調等）和複雜的機械要求（例如，機械臂等），因此具有成本高、易損耗、真實野外條件如高山無信號區難以控制和樣品採集保存數量低（通常3至8個樣品）等問題，較難實現真實野外條件下降水的高頻率採集和長期高質量保存。
4.通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：現有的野外降水穩定同位素樣品收集裝置成本高、易損耗、真實野外條件下難以控制和樣品採集保存數量低，較難實現真實野外條件下降水的高頻率採集和長期高質量保存。


技術實現要素：

5.針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統及控制方法。
6.本發明是這樣實現的，一種高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統包括：外箱體，用於對整體結構進行支撐和密封，正面安裝有兩個箱門；光伏供電模塊，安裝在外箱體頂部，用於利用太陽能電池板進行光伏發電，為整體結構提供電能；
降雨信號檢測模塊，包括多個降雨傳感器，用於對降雨信號進行檢測；降雨量檢測模塊，用於利用翻鬥式雨量計對雨量信息進行記錄，並對降雨進行收集；樣品收集模塊，用於利用儲水罐對降水樣品進行收集存儲；樣品轉移模塊，用於利用樣品轉移灌裝置將收集的降水樣品轉移到樣品存儲模塊；樣品存儲模塊，用於利用樣品存儲瓶對降水樣品進行保存；控制器，分別與光伏供電模塊、降雨信號檢測模塊、降雨量檢測模塊、樣品收集模塊、樣品轉移模塊和樣品存儲模塊連接，用於整體裝置的運行進行智能控制。
7.進一步，所述外箱體頂部安裝有防水箱，所述控制器與蓄電池安裝在防水箱內，所述蓄電池通過連接線路與太陽能電池板連接，所述降雨傳感器安裝在防水箱的頂部。
8.進一步，所述儲水罐下端連接有兩個排水閥，兩個排水閥分別與轉移導管和排水管連通，所述轉移導管另一端與樣品轉移模塊連通。
9.進一步，所述樣品轉移灌裝置包括安裝架、步進電機和樣品轉移管，所述安裝架上端與步進電機連接，所述安裝架另一端與樣品轉移管固定連接。
10.進一步，所述樣品轉移管下端連接有針頭和排氣孔。
11.進一步，所述樣品存儲模塊包括支撐臺、樣品存儲盤、用於控制樣品存儲盤周期性轉動的步進電機組和樣品存儲瓶；所述支撐臺中間安裝有三層樣品存儲盤，樣品存儲盤上側放置有若干樣品存儲瓶；所述步進電機組包括用於分別帶動三個樣品存儲盤轉動的三個單獨設置的轉動電機。
12.進一步，所述樣品存儲瓶的瓶口塞有用於密封的厚丁基塞，瓶頸與瓶身的連接處呈上小下大的喇叭狀結構，樣品存儲瓶瓶的瓶體內設置有防蒸發的密封浮球，密封浮球的直徑大於瓶頸的直徑。
13.進一步，所述樣品存儲瓶採用棕色塑料瓶，且其底部具有一定的彈性，樣品存儲瓶的底部直徑略大於卡槽的直徑。
14.進一步，所述外箱體內設置有溫度傳感器，溫度傳感器用於採集外箱體內的溫度，並將溫度信息發送控制器進行記錄，為蒸發程度檢驗提供參考。
15.本發明的另一目的在於提供一種高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統的控制方法，所述高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統的控制方法包括：步驟一，當降雨傳感器採集到的雨水信息後，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控制裝置啟動並運行；控制器控制翻鬥式雨量計開始記錄雨量信息，並打開翻鬥式雨量計後的第一閥門進行雨水收集，經過翻鬥式雨量計及第一閥門的雨水通過導流管流到儲水罐；步驟二，降雨時間未持續到設置周期t或持續到設置周期但降雨停止，控制器關閉第一閥門，如降雨時間達到設置周期t後仍在持續降雨，控制器關閉第一閥門，打開翻鬥式雨量計後的第二閥門；翻鬥式雨量計本身不帶閥門，雨水經過翻鬥式雨量計後進入管路，管路分為兩路，分別連接至兩個收集筒，此步驟的閥門在翻鬥式雨量計之後，收集筒之前，用
於控制雨水進入收集筒；步驟三，控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置下降，樣品轉移灌裝裝置下方安裝的針頭刺穿防蒸發樣品存儲瓶口的厚丁基塞；步驟四，控制器控制打開儲水罐與轉移導管連通的樣品轉移閥，儲水罐中的樣品灌裝進防蒸發存儲瓶；灌裝5分鐘後控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置上升，控制器通過步進電機組控制樣品存儲裝置的轉動盤一周期性運動一次；打開第一排水閥，確保樣品第一收集筒和樣品轉移管中液體排空，30分鐘後關閉第一排水閥和樣品轉移閥；第一排水閥與排水管相連，第一收集筒指的是收集筒；步驟五，若降雨傳感器採集不到雨水信息時，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控制裝置停止運行；若在步驟二後發現持續性降水，則以設置周期t為單位，切換第一、第二閥門開閉，控制器控制各對應電磁閥、步進電機和轉動電機由步驟三重複操作；步驟六，當樣品存儲盤一存儲量滿負荷後，控制器控制步進電機組開始依次轉動其餘兩個存儲盤。控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置下降至其餘儲存檔對應高度，控制器控制步進電機組開始依次轉動其餘兩個存儲盤。
16.結合上述的技術方案和解決的技術問題，本發明所要保護的技術方案所具備的優點及積極效果為：第一，針對上述現有技術存在的技術問題以及解決該問題的難度，緊密結合本發明的所要保護的技術方案以及研發過程中結果和數據等，詳細、深刻地分析本發明技術方案如何解決的技術問題，解決問題之後帶來的一些具備創造性的技術效果。具體描述如下：本發明能夠在野外條件下實現雨水樣品的自動收集、存儲，可以加裝多級樣品存儲盤，完成以周為單位以2小時為基本周期的長期高頻次降水採樣；本發明能降低樣品長期存儲過程中蒸發程度，收集樣品可以準確的反映降水氫氧穩定同位素組成的真實特徵；本發明的雨水樣品收集過程穩定可靠，能夠安全、及時、穩定地完成樣品收集，避免人為誤差，提高實驗結果的可靠性。
17.第二，把技術方案看做一個整體或者從產品的角度，本發明所要保護的技術方案具備的技術效果和優點，具體描述如下：本發明能夠實現野外條件下雨水樣品的長期高頻率自動收集、存儲，防止樣品存儲過程中蒸發，保證實驗結果，準確反映降水乃至長期降水事件過程分段採樣中的真實水穩定同位素組成特徵。
18.第三，作為本發明的創造性輔助證據，還體現在以下幾個重要方面：（1）本發明的技術方案在氣象環境科研實驗方面轉化價值高：降水氫氧穩定同位素正在成為降水研究的水汽來源示蹤劑和重要的氣象環境指標，對了解水汽來源、降雨-徑流關係、局地水循環過程具有重要意義。目前國內有數十家從事相關研究的高校和科研院所，需要進行大量降水樣品採集工作；如：中國科學院地球環境研究所、中國科學院寒區旱區與環境工程研究所、中國科學院地球化學研究所、蘭州大學西部環境實驗室等。根據研究內容不同，野外降水樣品採集的時間跨度可能從幾小時到幾年不等，期間需要按固定取樣時間反覆回收野外樣品；同時採樣地點多位於遠離人群聚落的自然生態豐富區，採樣人員的來往交通成本較大，研究期較長的項目，相關費用可達數萬至
數十萬元。
19.本發明系統邏輯合理，傳感器等器件均採用成熟工藝製造，結構牢固、成本可控；設備最低正常工作周期為3~5年。與人力採樣相比，本發明可節約50%~90%採樣費用，具有極大的經濟優勢，同時能夠提高採樣流程標準化度，有效降低採樣人員的時間成本，極大提高科研人員的工作效率。
20.（2）本發明的技術方案解決了人們一直渴望解決、但始終未能獲得成功的技術難題：現有同類設備雖針對野外採樣環境進行了針對性設計，但其中多數設備結構複雜，擁有大量電子控制機構及遙控遙感裝置，僅能應用於距離人類聚落不遠的近郊野外，無法承擔山區、林地等無人區域的採用工作。同時，樣品收集解析度一般以天或次計算，無法滿足以小時為單位的高解析度採樣需求。本發明的提出，解決了長期以來野外環境高分辨雨樣收集的難題，實現了相關實用設備的突破，為野外環境下高分辨雨樣收集開創了新的方法。
附圖說明
21.圖1是本發明實施例提供的高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統的結構示意圖；圖2是本發明實施例提供的外箱體內部的結構示意圖；圖3是本發明實施例提供的樣品存儲盤的結構示意圖；圖4是本發明實施例提供的針管的結構示意圖；圖5是本發明實施例提供的樣品存儲瓶的結構示意圖；圖6是本發明實施例提供的厚丁基塞的結構示意圖；圖中： 1、翻鬥式雨量計；2、儲水罐；3、排水閥；4、排水管；5、轉移導管；6、步進電機；7、轉動電機；8、第三樣品存儲盤；9、第二樣品存儲盤；10、第一樣品存儲盤；11、溫度傳感器；12、樣品存儲瓶；13、針頭；14、排氣孔；15、密封浮球；16、厚丁基塞；17、外箱體；18、太陽能電池板；19、安裝架；20、樣品轉移管；21、箱門。
具體實施方式
22.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
23.為了使本領域技術人員充分了解本發明如何具體實現，該部分是對本發明技術方案進行展開說明的解釋說明實施例。
24.如圖1至圖6所示，本發明實施例提供的高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統包括外箱體17、光伏供電模塊、降雨信號檢測模塊、降雨量檢測模塊、樣品收集模塊、樣品轉移模塊和樣品存儲模塊。
25.外箱體17正面安裝有兩個箱門21，用於對整體結構進行支撐和密封；光伏供電模塊安裝在外箱體17頂部，用於利用太陽能電池板18進行光伏發電，為整體結構提供電能；降雨信號檢測模塊包括多個降雨傳感器，用於對降雨信息進行檢測；降雨量檢測模塊用於利
用翻鬥式雨量計1對雨量信息進行記錄；樣品收集模塊用於利用兩個儲水罐2對降水樣品進行收集存儲；樣品轉移模塊用於利用樣品轉移灌裝置將收集的降水樣品轉移到樣品存儲模塊；樣品存儲模塊利用樣品存儲瓶12對降水樣品進行保存；控制器分別與光伏供電模塊、降雨信號檢測模塊、降雨量檢測模塊、樣品收集模塊、樣品轉移模塊和樣品存儲模塊連接，用於整體裝置的運行進行智能控制。
26.本發明實施例中的外箱體17頂部安裝有防水箱，所述控制器與蓄電池安裝在防水箱內，所述蓄電池通過連接線路與太陽能電池板連接，所述降雨傳感器安裝在防水箱的頂部。
27.本發明實施例中的儲水罐2下端連接有兩個排水閥3，兩個排水閥3分別與轉移導管5和排水管4連通，所述轉移導管5另一端與樣品轉移模塊連通。
28.本發明實施例中的樣品轉移灌裝置包括安裝架19、步進電機6和樣品轉移管20，所述安裝架19上端與步進電機6連接，所述安裝架19另一端與樣品轉移管20固定連接。樣品轉移管20下端連接有針頭13和排氣孔14。
29.本發明實施例中的樣品存儲模塊包括支撐臺、樣品存儲盤、用於控制樣品存儲盤周期性轉動的步進電機組和樣品存儲瓶；所述支撐臺中間安裝有第三樣品存儲盤8、第二樣品存儲盤9、第一樣品存儲盤10，三個樣品存儲盤上側均放置有若干樣品存儲瓶12；所述步進電機組包括用於分別帶動三個樣品存儲盤轉動的三個單獨設置的轉動電機7。
30.本發明實施例中的樣品存儲瓶12的瓶口塞有用於密封的厚丁基塞16，瓶頸與瓶身的連接處呈上小下大的喇叭狀結構，樣品存儲瓶瓶的瓶體內設置有防蒸發的密封浮球15，密封浮球15的直徑大於瓶頸的直徑。
31.本發明實施例中的外箱體17內設置有溫度傳感器11，溫度傳感器11用於採集外箱體內的溫度，並將溫度信息發送控制器進行記錄，為蒸發程度檢驗提供參考。
32.本發明實施例提供的高解析度降水穩定同位素樣品自動採集系統的控制方法包括：步驟一，當降雨傳感器採集到的雨水信息後，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控制裝置啟動並運行；控制器控制翻鬥式雨量計開始記錄雨量信息，並打開翻鬥式雨量計後的第一閥門進行雨水收集，經過翻鬥式雨量計及第一閥門的雨水通過導流管流到儲水罐；步驟二，降雨時間未持續到設置周期t或持續到設置周期但降雨停止，控制器關閉第一閥門，如降雨時間達到設置周期t後仍在持續降雨，控制器關閉第一閥門，打開翻鬥式雨量計後的第二閥門；翻鬥式雨量計本身不帶閥門，雨水經過翻鬥式雨量計後進入管路，管路分為兩路，分別連接至兩個收集筒，此步驟的閥門在翻鬥式雨量計之後，收集筒之前，用於控制雨水進入收集筒；步驟三，控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置下降，樣品轉移灌裝裝置下方安裝的針頭刺穿防蒸發樣品存儲瓶口的厚丁基塞；步驟四，控制器控制打開儲水罐與轉移導管連通的排水閥，儲水罐中的樣品灌裝進防蒸發存儲瓶；灌裝5分鐘後控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置上升，控制器通過步進電機組控制樣品存儲裝置的轉動盤一周期性運動一次；打開第一排水閥，確保樣品第一收集筒和樣品轉移管中液體排空，30分鐘後關閉第一排水閥和樣品轉移閥；第一排水
閥與排水管相連，第一收集筒指的是收集筒；步驟五，若降雨傳感器採集不到雨水信息時，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控制裝置停止運行；若在步驟二後發現持續性降水，則以設置周期t為單位，切換第一、第二閥門開閉，控制器控制各對應電磁閥、步進電機和轉動電機重複由步驟三至步驟五的操作；步驟六，當樣品存儲盤一存儲量滿負荷後，控制器控制步進電機組開始依次轉動其餘兩個存儲盤。
33.本發明實施例中的樣品存儲瓶瓶口可塞入厚丁基塞進行密封，需提前檢查其密封性。同時瓶頸與瓶身的連接處呈上小下大的喇叭狀結構，樣品存儲瓶的瓶體內設置有密封浮球，密封浮球的直徑大於瓶頸的直徑。密封浮球在降水樣品灌裝的過程中漂浮起來，將雨水樣品密封在樣品存儲瓶內，進一步減少樣品的蒸發。同時若收集降水樣品量大於2ml，則灌裝完成後密封浮球上方瓶頸處應完全水封，若有強蒸發現象則瓶頸處應有孔隙，可對高溫環境下的蒸發程度檢驗。
34.本發明實施例中的樣品存儲瓶採用棕色塑料瓶、且其底部具有一定的彈性，樣品存儲瓶的底部直徑略大於卡槽的直徑。塑料瓶不易碎，更安全，同時棕色能夠進一步降低同位素樣品的蒸發，保證樣品質量；樣品存儲瓶底部具有一定的彈性能夠與卡槽緊密接觸，進一步提高其穩定性。
35.本發明實施例中的樣品轉移器的樣品轉移灌裝機械結構使用特製針管，除進行樣品轉移的普通針管外，平行安裝一針管作為排氣孔，用以連通樣品存儲瓶與大氣，從而便於樣品轉移並和加快轉移速度。
36.本發明實施例中的外箱體通過溫度傳感器採集外箱體內部的溫度，並將溫度信息發送控制器進行記錄，為蒸發程度檢驗提供參考。
37.本發明在使用時，當降雨傳感器採集到的雨水信息後，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控制裝置啟動並運行；控制器控制翻鬥式雨量計開始記錄雨量信息，並打開翻鬥式雨量計後的第一閥門進行雨水收集，經過翻鬥式雨量計及第一閥門的雨水通過導流管流到儲水罐；降雨時間未持續到設置周期t或持續到設置周期但降雨停止，控制器關閉第一閥門，如降雨時間達到設置周期t後仍在持續降雨，控制器關閉第一閥門，打開翻鬥式雨量計後的第二閥門；翻鬥式雨量計本身不帶閥門，雨水經過翻鬥式雨量計後進入管路，管路分為兩路，分別連接至兩個收集筒，此步驟的閥門在翻鬥式雨量計之後，收集筒之前，用於控制雨水進入收集筒；控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置下降，樣品轉移灌裝裝置下方安裝的針頭刺穿防蒸發樣品存儲瓶口的厚丁基塞；控制器控制打開儲水罐與轉移導管連通的排水閥，儲水罐中的樣品灌裝進防蒸發存儲瓶；灌裝5分鐘後控制器控制步進電機帶動樣品轉移灌裝裝置上升，控制器通過步進電機組控制樣品存儲裝置的轉動盤一周期性運動一次；打開第一排水閥，確保樣品第一收集筒和樣品轉移管中液體排空，30分鐘後關閉第一排水閥和樣品轉移閥；第一排水閥與排水管相連，第一收集筒指的是收集筒；若降雨傳感器採集不到雨水信息時，將信息傳送給控制器，控制器接收信息並控
制裝置停止運行；若在步驟二後發現持續性降水，則以設置周期t為單位，切換第一、第二閥門開閉，控制器控制各對應電磁閥、步進電機和轉動電機由步驟三重複操作；當樣品存儲盤一存儲量滿負荷後，控制器控制步進電機組開始依次轉動其餘兩個存儲盤。
38.為了證明本發明的技術方案的創造性和技術價值，該部分是對本發明技術方案進行具體產品上或相關技術上的應用實施例。
39.本發明實施例應用在降水穩定同位素樣品自動採集中。
40.以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。